KR100748547B1 - 열교환모듈 및 이를 구비한 연료전지시스템 - Google Patents

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박정규
허성근
이현재
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엘지전자 주식회사
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Abstract

열교환모듈 및 이를 구비한 연료전지시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 열교환모듈은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛과, 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛과, 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛과, 상기 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛을 포함하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료공급유닛으로부터 공급받은 수소 또는 상기 스택유닛으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 상기 냉각유닛의 냉각수 온도를 높이는 열로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이러한 열교환모듈로 인해 별도의 배열회수장치 없이도 촉매연소장치의 유로를 통과하면서 발생하는 열을 즉시 회수할 수 있어, 연료전지시스템의 구성이 단순해지고 체적이 작아지며, 열효율이 향상된다.
연료전지시스템, 열교환모듈, 냉각수유로, 촉매반응유로

Description

열교환모듈 및 이를 구비한 연료전지시스템{HEAT EXCHANGING MODULE AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}
도 1은 종래의 배열회수장치 및 촉매연소장치를 구비한 연료전지시스템을 나타낸 개략도,
도 2는 도 1의 제1금속판 및 제2금속판의 결합 전 도면,
도 3은 도 2의 제1금속판 및 제2금속판이 결합되어 형성 된 단위유닛이 복수개 적층된 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환모듈이 구비된 연료전지시스템의 계통도,
도 5는 도 4의 열교환모듈의 촉매반응유로 및 냉각수유로를 나타내기 위해 열교환모듈의 끝단이 절개된 사시도,
도 6은 도 5의 유로형성판 및 베이스판의 결합 전 도면,
도 7은 도 6의 유로형성판 및 베이스판의 결합되어 형성 된 단위유닛이 복수개 적층된 도면이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110 : 연료공급유닛 120 : 공기공급유닛
130 : 스택유닛 150 : 냉각유닛
200 : 열교환모듈 210 : 베이스판
220 : 유로형성판 C : 촉매
FP : 촉매반응유로 WP : 냉각수유로
본 발명은 연료전지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료와 촉매를 반응시켜 생성된 열을 효율적으로, 난방 또는 온수등 열이 필요한 장소에 공급할 수 있는 연료전지시스템에 관한 것이다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지시스템(이하, 연료전지시스템으로 통칭함)을 나타낸 개략도로서, 보다 구체적으로 배열회수장치 및 촉매연소장치를 구비한 연료전지시스템을 나타낸 개략도이다. 도 2는 도 1의 제1금속판 및 제2금속판의 결합 전 도면이고, 도 3은 도 2의 제1금속판 및 제2금속판이 결합되어 형성 된 단위유닛이 복수개 적층된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 연료전지시스템은, 연료에서 수소(H2)만을 추출하여 스택유닛(30)에 공급하는 연료공급유닛(10)과, 공기를 스택유닛(30) 및 연료공급유닛(10)에 공급하는 공기공급유닛(20)과, 공급된 수소(H2) 및 공기로 전기를 생성하는 스택유닛(30)과, 스택유닛(30)에서 생성된 전기를 교류로 변환하여 부하(Load)에 공급하는 전기출력유닛(40)과, 스택유닛(30)을 냉각시키고 스택유닛(30)에서 발생한 열을 회수하기 위한 물탱크(50)와, 스택유닛(30)에서 배출되는 잔여수소속의 불순물을 제거하고 온수 및 난방을 위해 급하게 열이 필요할 경우에 연료공급유닛(10)으로부터 직접 수소를 공급받아 촉매와 반응시켜 열을 생성하는 촉매연소장치(60)와, 촉매연소장치(60)로부터 발생한 열을 물탱크(50)의 냉각수에 공급하는 배열회수장치(70)를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 촉매연소장치(60)는 유로(F1,F2,F3)를 통과하는 수소와 유로(F1,F2,F3)내에 채워져 있는 촉매(C)의 반응에 의해 열을 생성하는 마이크로 유로방식의 촉매연소장치이다. 여기서, 평평한 제1금속판(61) 및 돌기(62a)가 일정간격으로 복수개 구비된 제2금속판(62)이 상호 마주 보도록 결합 되어 유로(F1,F2,F3)를 형성된다. 이렇게 형성된 유로(F1,F2,F3)가 종 방향으로 복수개가 적층되어 촉매연소장치(60)를 형성한다.
상기 배열회수장치(70)는 촉매연소장치(60)에서 발생한 열을 물탱크(50)의 냉각수에 전달하기 위해 촉매연소장치(60)와 물탱크(50) 사이에 설치된다.
보다 구체적으로, 배열회수장치(70) 내부에는 물탱크로부터 공급되는 냉각수가 흐르는 냉각수관이 통과하게 되고, 이때, 냉각수는 촉매연소장치(60)로부터 배열회수장치(70)로 공급된 열에 의해 온도가 상승하게 된다. 이렇게 온도가 상승된 냉각수는 난방 및 온수가 필요한 장소에 공급된다.
그러나, 종래의 연료전지시스템은 촉매연소장치(60)로부터 열을 회수하기 위 해 별도의 배열회수장치(70)가 필요하게 되어, 연료전지시스템의 구조가 복잡해 지고 비용이 상승하며, 연료전지시스템의 체적이 커지는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 배열회수장치(70)는 촉매연소장치(60)의 유로(F1,F2,F3)를 통과하는 수소와 촉매의 반응으로부터 발생하는 열을 즉시 회수할 수 없다. 즉, 구조적으로 유로(F1, F2, F3)가 끝나는 유로(F1,F2,F3)의 양 끝단에서만 열을 회수할 수 있다. 이로 인해, 연료전지시스템의 열 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지시스템이 가지는 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 배열회수장치가 없어 구성이 단순하고 체적이 작아진 연료전지시스템을 제공하는 데 목적이 있다. 또한, 배열회수장치 없이도 촉매연소장치로부터 열을 효과적으로 회수할 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지시스템의 열교환모듈은 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛과, 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛과, 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛과, 상기 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛을 포함하는 연료전지시스템에 있어서, 상기 연료공급유닛으로부터 공급받은 수소 또는 상기 스택유닛으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 상기 냉각유닛의 냉각수 온도를 높이는 열로 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열교환모듈은, 상기 냉각유닛의 냉각수가 흐르는 복수개의 냉 각수유로; 및 상기 연료공급유닛의 연료가 흐르면서 촉매와 열 반응할 수 있도록 촉매로 채워진 복수개의 촉매반응유로;를 포함하며, 상기 촉매반응유로에서 촉매와 수소의 반응후 생성된 열이, 상기 냉각수유로를 흐르는 냉각수로 즉시 전달될 수 있도록, 상기 냉각수유로와 상기 촉매반응유로는 번갈아 가며 적층 되는 것이 바람직하다.
또는, 상기 열교환모듈은, 일면에 냉각수홈이 형성되며 타면에 촉매반응홈이 형성된 베이스판; 및 상기 베이스판의 일면을 덮어 상기 냉각유닛의 냉각수가 흐르는 복수개의 냉각수유로를 형성하고, 상기 베이스판의 타면을 덮어 상기 연료공급유닛의 연료가 흐르는 촉매로 채워진 복수개의 촉매반응유로를 형성하는 한 쌍의 유로형성판;이 단위유닛이 되어 이러한 단위유닛이 복수개 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛; 상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛; 상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛; 상기 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛; 및 상기 연료공급유닛으로부터 공급받은 수소 또는 상기 스택유닛으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 상기 냉각유닛의 냉각수 온도를 높이는 열로 사용하는 열교환모듈;을 포함하는 연료전지시스템에 의해 달성된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교한모듈을 구비한 연료전지시스템을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 모듈이 구비된 연료전지시스템의 계통도이고, 도 5는 도 4의 열교환모듈의 촉매반응유로 및 냉각수유로를 나타내기 위해 열교환모듈의 끝단이 절개된 사시도이고, 도 6은 도 5의 유로형성판 및 베이스판의 결합 전 도면이고, 도 7은 도 6의 유로형성판 및 베이스판의 결합되어 형성 된 단위유닛이 복수개 적층된 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환모듈을 구비한 연료전지시스템은 연료를 공급하는 연료공급유닛(110); 공기를 공급하는 공기공급유닛(120); 공급된 연료와 공기의 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛(130); 스택유닛(130)의 냉각 및 스택유닛(130)에서 발생한 열을 회수하는 냉각유닛(150); 및 연료공급유닛(110)으로부터 공급받은 수소 또는 스택유닛(130)으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 냉각유닛(150)의 냉각수의 온도를 높이는 열로 사용하는 열교환모듈(200);을 포함한다.
상기 연료공급유닛(110)은 LNG에서 수소(H2)를 정제하여 스택유닛(130)의 연료극(131)에 공급하는 개질기(111) 및 배관(112)을 포함한다. 개질기(111)는 연료에 함유된 황을 제거하는 탈황반응기(111a)와, 연료와 수증기가 개질 반응하여 수소를 발생시키는 개질반응기(111b)와, 개질반응기(111b)를 거쳐 발생된 일산화탄소를 재반응시켜 수소를 추가 발생시키는 고온수반응기(111c) 및 저온수반응기(111d)와, 공기를 촉매로 하여 연료중의 일산화탄소를 제거함으로써 수소를 정제하는 부분산화반응기(111e)와, 개질반응기(111b)에 수증기를 공급하는 수증기발생기(111f)와, 수증기발생기(111f)에 필요한 열을 공급하는 버너(111g)로 이루어진다.
상기 공기공급유닛(120)은 스택유닛(130)의 공기극(132)에 공기를 공급하며, 제1,2공급라인(121,123), 공기공급팬(122)을 포함한다.제1공기공급라인(121)은 공기극(132)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 제2예열기(162)사이에 설치된다. 제2공기공급라인(123)은 버너(111g)에 대기중의 공기를 공급하기 위해 공기공급팬(122)과 버너(111g)사이에 설치된다.
상기 스택유닛(130)은 연료공급유닛(10)과 공기공급유닛(20)에서 각각 공급되는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지와 열에너지를 동시에 생성하도록 연료극(131)과 공기극(132)을 포함한다.
상기 냉각유닛(150)은 연료공급유닛(110)의 개질기(111)와 스택유닛(130)에 물을 공급하여 개질기(111)와 스택유닛(130)을 냉각한다. 냉각유닛(150)은 소정량의 물을 충전하는 급수통(151)과, 스택유닛(130)과 급수통(151) 사이를 순환식으로 연결하는 물순환라인(152)과, 물순환라인(152)의 중간에 설치되며 급수통(151)의 물을 펌핑하는 물순환펌프(153)와, 물순환라인(152)의 중간에 구비하여 순환 공급되는 물을 냉각하는 열교환기(154) 및 방열팬(155)으로 이루어져 있다. 또한, 급수통(151)의 물 또는 일반 상수(도면에선, 일반상수를 도시)를 개질기(111)에 공급하는 상수공급라인(156)으로 이루어진다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 열교환모듈(200)은, 냉각유닛(150)의 냉각수가 흐르는 횡 방향으로 일정간격을 두고 배치된 복수개의 냉각수유로(WP); 및 연료공급유닛(110)의 수소 또는 스택유닛(130)의 잔여수소가 흐르면서 촉매와 열 반응할 수 있도록 촉매로 채워진 횡 방향으로 일정간격을 두고 배치된 복수개의 촉매반 응유로(FP);를 포함하며, 이러한 냉각수유로(WP)와 촉매반응유로(FP)가 종 방향으로 번갈아 가며 적층됨으로서 열교환모듈(200)이 형성된다. 여기서, 실선 화살표는 수소 또는 냉각수의 흐름을 나타내고, 점선 화살표는 열의 흐름을 나타낸다.
열교환모듈(200)로 유입된 냉각수는 복수개의 냉각수유로(WP)를 거친 후 열교환모듈(200)의 끝단에 모아져서 열교환모듈(200)을 빠져나가고, 열교환모듈(200)로 유입된 수소는 복수개의 촉매반응유로(FP)를 거친 후 열교환모듈(200)의 끝단에서 모아져서 열교환모듈(200)을 빠져나가게 된다. 참고로, 도 5는 이러한 열교환모듈(200)의 끝단을 절개한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 보다 구체적으로, 상기 열교환모듈(200)은, 일면에 냉각수홈(211)이 형성되며 타면에 촉매반응홈(212)이 형성된 얇은 금속판인 베이스판(210); 베이스판(210)의 일면을 덮어 냉각유닛(150)의 냉각수가 흐르는 복수개의 냉각수유로(WP)을 형성하고, 베이스판(210)의 타면을 덮어 연료공급유닛(110)의 연료 또는 스택유닛(130)의 잔여수소가 흐르면서 촉매와 열 반응할 수 있도록 촉매로 채워진 복수개의 촉매반응유로(FP)를 형성하는 얇은 금속판인 한쌍의 유로형성판(220);이 단위유닛이 되어 이러한 단위유닛이 복수개 적층되어 열교환모듈(200)을 형성한다.
이때, 상기 촉매반응유로(FP)에 채워지는 촉매로는 백금촉매, 팔라듐촉매, 루테늄촉매등이 사용된다.
상기 베이스판(210) 및 유로형성판(220)은 열전도율이 높은 얇은 금속판인 서스(SUS), 철 크롬합금, 알루미늄등으로 형성되며, 베이스판(210)과 유로형성 판(220)은 상호 용접 또는 본딩등을 이용하여 상호 접합된다.
상기 베이스판(210)에 냉각수홈(211) 및 촉매반응홈(212)을 형성하기 위하여, 베이스판(210)의 상면 및 하면에는 횡 방향으로 일정간격을 가지며 돌출된 돌기(210a)가 구비된다. 이러한 돌기(210a) 사이로 냉각수홈(211) 및 촉매반응홈(212)이 형성된다. 한편, 이러한 돌기(210a)는 두께(t)가 2mm이하인 금속판을 에칭(etching) 또는 프레싱(pressing)한 후 샌딩(sanding) 처리함으로서 형성된다.
이하, 상술한 구성을 가진 연료전지시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 연료공급유닛(110)에서 LNG와 수증기를 개질하여 수소를 발생시킨 후 이 수소를 스택유닛(130)의 연료극(131)으로 공급한다. 공기공급유닛(120)은 공기를 스택유닛(130)의 공기극(132)으로 공급한다. 스택유닛(130)은 공급된 수소와 공기의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다. 발생 된 전기는 각종 전자제품(도면상에는 Load로 표시)에 공급한다.
한편, 열교환모듈(200)으로 연료공급유닛(110)에서 생성된 연료 또는 스택유닛(130)에서 반응후 배출되는 수소가 공급된다.
공급된 수소는 열교환모듈(200)의 촉매반응유로(FP)를 거치면서 촉매와 반응하게 되고, 이때 발생된 열은 얇은 베이스판(210) 및 유로형성판(220)을 통해 냉각수유로(WP)를 통과하는 냉각수에 즉시 전달된다. 즉, 종래와 같이 촉매연소장치의 양끝단에서만 열을 회수할 수 있는 것이 아니라, 열이 발생하는 즉시, 베이스판(210) 또는 유로형성판(220)을 통해 열이 냉각수로 전달될 수 있다.
이렇게, 열이 전달되어 승온된 냉각수는 난방 또는 온수로 쓰이게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 열교환모듈을 구비한 연료전지시스템에 따르면,
별도의 배열회수장치 없이도 촉매연소장치의 유로를 통과하면서 발생하는 열을 즉시 회수할 수 있어 열효율이 향상된다.
또한, 배열회수장치가 필요없으므로, 연료전지시스템의 구성이 단순해지고 체적이 작아진다.

Claims (5)

  1. 수소와 공기의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생성하는 스택유닛과, 상기 스택유닛에 수소를 공급하는 연료공급유닛과, 상기 스택유닛에 공기를 공급하는 공기공급유닛과, 상기 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛을 포함하는 연료전지시스템에 있어서,
    상기 연료공급유닛으로부터 공급받은 수소 또는 상기 스택유닛으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 상기 냉각유닛의 냉각수 온도를 높이는 열로 사용하는 연료전지시스템의 열교환모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환모듈은,
    상기 냉각유닛의 냉각수가 흐르는 복수개의 냉각수유로; 및
    상기 연료공급유닛의 연료가 흐르면서 촉매와 열 반응할 수 있도록 촉매로 채워진 복수개의 촉매반응유로;를 포함하며,
    상기 촉매반응유로에서 촉매와 수소의 반응후 생성된 열이 즉시 상기 냉각수유로를 흐르는 냉각수로 전달될 수 있도록, 상기 냉각수유로와 상기 촉매반응유로는 번갈아 가며 적층 된 연료전지시스템의 열교환모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환모듈은,
    일면에 냉각수홈이 형성되며 타면에 촉매반응홈이 형성된 베이스판; 및
    상기 베이스판의 일면을 덮어 상기 냉각유닛의 냉각수가 흐르는 복수개의 냉각수유로를 형성하고, 상기 베이스판의 타면을 덮어 상기 연료공급유닛의 연료가 흐르는 촉매로 채워진 복수개의 촉매반응유로를 형성하는 한 쌍의 유로형성판;이 단위유닛이 되어 이러한 단위유닛이 복수개 적층되어 형성된 연료전지시스템의 열교환모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각수홈 및 촉매반응홈은,
    상기 베이스판의 일면 및 타면에 일정간격으로 돌출된 돌기사이로 형성된 연료전지시스템의 열교환모듈.
  5. 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택유닛;
    상기 스택유닛의 연료극에 수소를 공급하는 연료공급유닛;
    상기 스택유닛의 공기극에 공기를 공급하는 공기공급유닛;
    상기 스택유닛을 냉각시키는 냉각유닛; 및
    상기 연료공급유닛으로부터 공급받은 수소 또는 상기 스택유닛으로부터 반응 후 배출되는 수소를 공급받아, 촉매반응을 통해 열을 생성하고 이를 즉시 상기 냉각유닛의 냉각수 온도를 높이는 열로 사용하는 열교환모듈;을 포함하는 연료전지시스템.
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